РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ЧЕРПАКОВОЙ ЦЕПИ ЗЕМСНАРЯДА
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(кафедра "Судостроение и энергетические комплексы морской техники", Старший преподаватель)
Россия
Россия
2.
Астраханский государственный технический университет
(кафедра "Судостроение и энергетические комплексы морской техники", Зав. кафедрой)
Астрахань, Астраханская область, Россия
Астрахань, Астраханская область, Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 94
по 99
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2014
Одобрено:
20.02.2014
Опубликовано:
25.02.2014
Классификаторы:
УДК 620.178.16:621.879.45.064.004.62
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 34.413.2-01:38.623.034.5-046
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 34.413.2-01:38.623.034.5-046
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
земснаряд, черпаковая цепь, палец, втулка, износ, износостойкость, испытания на износ
Аннотация (русский):
Предложены некоторые критерии для оценки износостойкости материалов деталей узла шарнирного соединения. Описаны основные составляющие процесса трения в сопряжённых деталях. Сложность взаимодействия поверхностей трения позволяет лишь приближённо определить уровень разрушения в зоне контакта по существующим критериям. Приведены результаты испытаний износостойкости материала деталей узла крепления черпаковой цепи дноуглубительного земснаряда на стенде для абразивного износа на образцах из сталей 38ХН3МА и 110Г13Л с различными видами термообработки и без неё. Образцы подвергнуты испытанию на износ под давлением 27,3 47,4 кПа. Результаты эксперимента показали, что технология завода изготовителя для пальцев из стали 38ХН3МА не обеспечивает максимальную износостойкость, а втулок из стали 110Г13Л – обеспечивает. Для увеличения ресурса износостойкости исследуемых материалов необходимо изменить упрочняющие технологии при изготовлении деталей узла крепления черпаковой цепи.
Предложены некоторые критерии для оценки износостойкости материалов деталей узла шарнирного соединения. Описаны основные составляющие процесса трения в сопряжённых деталях. Сложность взаимодействия поверхностей трения позволяет лишь приближённо определить уровень разрушения в зоне контакта по существующим критериям. Приведены результаты испытаний износостойкости материала деталей узла крепления черпаковой цепи дноуглубительного земснаряда на стенде для абразивного износа на образцах из сталей 38ХН3МА и 110Г13Л с различными видами термообработки и без неё. Образцы подвергнуты испытанию на износ под давлением 27,3 47,4 кПа. Результаты эксперимента показали, что технология завода изготовителя для пальцев из стали 38ХН3МА не обеспечивает максимальную износостойкость, а втулок из стали 110Г13Л – обеспечивает. Для увеличения ресурса износостойкости исследуемых материалов необходимо изменить упрочняющие технологии при изготовлении деталей узла крепления черпаковой цепи.
Ключевые слова:
земснаряд, черпаковая цепь, палец, втулка, износ, износостойкость, испытания на износ
земснаряд, черпаковая цепь, палец, втулка, износ, износостойкость, испытания на износ
Известно, что детали шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов во время работы изнашиваются и основной вид изнашивания – это схватывание металла сопряженных деталей, а сопутствующий – абразивное изнашивание частицами грунта, проникающего в зазор [1]. Схватывание возникает в результате появления металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц металла или налипанием на поверхность контакта. Условия работы цепи таковы, что пятно контакта трущихся деталей «втулка – палец» существует лишь ограниченное время и зависит от скорости скольжения, шероховатости и волнистости поверхности. Деформирование материала в пятнах контакта будет либо упругим, либо пластическим, редко достигая значений, достаточных для разрушения при однократном воздействии, поэтому возникновение металлических связей происходит в данном случае при интенсивной деформации поверхностных объемов металла, обусловленной атермической пластичностью и высокими удельными нагрузками на пятнах контакта, возникающих при эксплуатации цепи. В данном случае схватывание можно оценить основным безразмерным коэффициентом [2], где – сдвиговое сопротивление молекулярной (металлической) связи; – предел текучести основы. Однако задача оценки абразивной износостойкости сплава еще далека от своего решения. Известны многие эффективные критерии износостойкости. Так, в [3] в качестве критерия принят модуль упругости E, а в [4] – комплекс, где HV – твердость по Виккерсу; – ударная вязкость. Более сложный критерий был предложен в [5] в виде , где – предел прочности; – предел текучести; – истинная максимальная деформация; – раскрытие трещины. Показано, что последний критерий можно заменить выражением . Современным критерием, оценивающим изнашивание, является критерий [6, 7], имеющий энергетическую природу. В любом случае, согласно [8], если рассматривать абразивную износостойкость металлов, нагрузка F1, приложенная к единичной абразивной частице, будет уравновешена реакцией площади контакта: , (1) где А – проекция площади контакта на горизонтальную плоскость; Pm – давление текучести материала; d – диаметр отпечатка. При перемещении абразивной частицы на пути l и будет удалён некоторый объём материала , который можно определить как , (2) где – коэффициент, учитывающий удаленный в виде стружки некоторый объём материала; S – площадь поперечного сечения канавки; h – глубина внедрения абразивной частицы; – половина угла при вершине моделируемой абразивной частицы. Совместив выражения (1) и (2) и заменив на , где – нагрузка, приходящаяся на все абразивные частицы, участвующие в контакте с поверхностью; – общее количество абразивных частиц, взаимодействующих с поверхностью; общий износ можно представить в виде , (3) где na – количество частиц, осуществляющих микрорезание; – относительная доля абразивных частиц, участвующих в резании поверхности. В практических расчётах вместо давления текучести можно использовать твёрдость материала, тогда формулу (3) можно записать в виде , где – коэффициент износа; Н – твёрдость. Это выражение было предложено Дж. Ф. Арчардом для трущихся без смазки поверхностей. Преобразовав его для определения износостойкости сплава И в одинаковых условиях изнашивания, получим Однако эта зависимость применима только для отожженных сплавов и не имеет универсального характера. Было установлено [3] высокое значение абразивной стойкости от упрочнения сплава закалкой с последующим отпуском. Эта зависимость имеет вид , где , – износостойкость и твёрдость сплава после отжига; Н – твёрдость после термообработки. В настоящее время в России эксплуатируется около 80 черпаковых земснарядов. Рабочим органом земснаряда является черпаковая цепь, которая работает в очень сложных условиях, таких как абразивная среда и высокие динамические нагрузки. В узлах крепления черпаковой цепи нагрузки превышают предел текучести материала, что приводит к пластической деформации втулок, колец и пальцев. Абразивный износ увеличивает зазор в узле так, что приводит к изменению траектории движения по роульсам цепи и сходу с верхнего приводного барабана. Анализ эксплуатации черпаковой цепи показал, что отдельные пальцы, работающие на глинистых и илистых грунтах, меняются с частотой от 3 до 7 дней, а при работе на песчаных грунтах максимальный износ на некоторых втулках может быть достигнут за одни сутки. Бывали случаи, когда при работе на крупнозернистых грунтах кольца, установленные в проушинах черпака, изнашивались катастрофически, и это приводило к длительным простоям и замене черпака полностью. При интенсивной эксплуатации земснаряда, по окончании навигации, заменяется весь комплект пальцев, втулок и колец на новые. Изношенные детали не восстанавливаются. Для изучения причин повышенного износа втулок и пальцев цепи необходимо было установить износостойкость материала деталей. Для достижения этой цели была изготовлена экспериментальная установка, предназначенная для проведения испытаний материала на изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы. Давление на поверхности одного образца при использовании первой оправки составляло 27,3 кПа, второй оправки – 47,4 кПа. Как показали предварительные пробы на износ, можно пользоваться одним видом оправки с сепаратором механического крепления благодаря быстроте установки и съёма образцов. Образцы, изготавливаемые из сталей марок 38ХН3МА и 110Г13Л, имели форму цилиндров одинаковых размеров (в серии по 3 шт.), диаметром d = 15 ± 0,1 мм и высотой h = 7…8 мм. Заготовки для образцов вырезались из отработанного пальца и из кольца, которые по внешним признакам не эксплуатировались. Во время изготовления образцов обеспечивалось постоянное интенсивное охлаждение водой. Заготовка нагревалась не выше 30…40 °С. Изготовленные образцы устанавливались в оправку установки и подвергались обязательной притирке с целью достижения полного прилегания к поверхности круга. Затем проводился селективный отбор образцов по высоте. В серии испытывалось по 3 образца, причем их высота не должна была отличаться более чем на 0,1 мм. Были подготовлены образцы из материала пальца (сталь 38ХН3МА) по следующим партиям (в партии по 2 серии): 1. Без изменения структуры. 2. Отожженные при температуре 750 °С в течение 1 часа и охлажденные вместе с печью. 3. Отожженные по п. 2, закалённые с температуры 850 °С на масло, по техническим требованиям завода-изготовителя, и отпущенные при температуре 590 °С. 4. То же, что в п. 3, и отпущенные при температуре 200 °С. Из материала кольца (сталь 110Г13Л) были изготовлены 2 партии образцов: 1. Без изменения структуры. 2. Закаленные с температуры 1050…1075 °С на воду по техническим требованиям завода- изготовителя. Испытания образцов на износ проводились с разными нагрузками Р1 (эксперимент № 1) и Р2 (эксперимент № 2). Испытания с нагрузкой Р2 проводились на тех же образцах после испытаний под нагрузкой Р1. До испытаний были проведены измерения высоты, массы, твёрдости образцов. Все исходные данные заносились в протокол. Образцы устанавливались в оправку, затем оправка размещалась на плоскости круга. Устанавливался скоростной режим, при котором круг совершал один оборот примерно за 3 секунды. Включался обдув для удаления продуктов износа из зоны трения. По достижении 500 циклов (оборотов) вращение останавливалось. Испытания с нагрузкой Р2 проводились аналогично предыдущим. По каждой партии образцов из 6 штук была определена средняя величина линейного, массового износов и изменение твёрдости по каждому эксперименту (табл. 1 и 2). Таблица 1 Результаты испытаний на износ при давлении Р = 27,3 кПа № образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г 1–6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 25 НRС 26,1 НRС 0,334 0,434 7–12 Отжиг 30,3 НRС 31,3 НRС 0,291 0,402 13–18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 38,3 НRС 41 НRС 0,31 0,39 19–24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 49,6 НRС 53,6 НRС 0,172 0,215 1–6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 81 НRВ 80,6 НRВ 0,108 0,085 7–12 Закалка по технологии завода-изготовителя 87,8 НRВ 86,7 НRВ 0,049 0,082 Таблица 2 Результаты испытаний на износ при давлении Р = 47,4 кПа № образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г 1–6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 26,1 НRС 25,9 НRС 0,632 0,861 7–12 Отжиг 31,3 НRС 33,1 НRС 0,695 0,921 13–18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 41 НRС 40,5 НRС 0,701 0,929 19–24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 53,6 НRС 54 НRС 0,265 0,345 1–6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 80,6 НRВ 82,3 НRВ 0,169 0,196 7–12 Закалка по технологии завода-изготовителя 86,7 НRВ 86,8 НRВ 0,14 0,18 Полученные данные стали исходными величинами для анализа и построения зависимостей, представленных на рис. 1–4. C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок.png C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (2).png Рис. 1. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа Рис. 2. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (3).png C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (1).png Рис. 3. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа Рис. 4. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа Измерение твёрдости в экспериментах № 1 и 2 показало, что она изменилась незначительно, в пределах 1…4 единиц по шкале НRС, как в сторону увеличения, так и снижения. При давлении на образец Р = 27,3 кПа максимальный линейный и массовый износ был у образцов из стали 38ХН3МА № 1–6, имеющих низкую твёрдость, а минимальный – № 19–24 – при твердости 53,6 HRC. Самый низкий износ показала сталь 110Г13Л, изготовленная по техническим требованиям завода при твердости поверхности 86…87 HRB. При давлении на поверхности образца Р = 47,4 кПа для стали 38ХН3МА картина зависимости изменилась: с увеличением твёрдости износ увеличивается для образцов из партий № 7–12 и № 13–18. И только на образцах № 19–24 износ резко уменьшился – до 2,5 раз. У образцов из стали 110Г13Л самый малый износ был у изготовленных по техническим требованиям завода-изготовителя. Это самый малый износ при твёрдости 86…87 HRB по сравнению со сталью 38ХН3МА, имеющей твердость около 54 НRС. Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать следующие выводы. 1. Твёрдость в процессе эксперимента практически не изменилась. 2. Сталь 110Г13Л показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если втулка будет изготовлена по технологии завода. 3. Сталь 38ХНМ3А показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если палец будет подвергнут закалке и низкому отпуску. Эта технология термообработки не применяется заводом-изготовителем. 4. Технология завода при изготовлении деталей из стали 110Г13Л оправдывает максимальную износостойкость. 5. Для деталей из стали 38ХНМ3А, согласно результатам эксперимента, технология завода не оправдывает своё назначение. В то же время энергетический критерий sв∙φ для стали 110Г13Л, по данным [9], (закалка) составил 36 ГПа, а для стали 38ХН3МА (закалка и высокий отпуск) – 62 ГПа, т. е. для стали 38ХН3МА предполагается более высокая износостойкость. Однако наши исследования показали более высокую надёжность стали 110Г13Л по износу, а низкий показатель критерия можно объяснить отсутствием или слабым деформационным упрочнением сплава в ходе эксперимента. Очевидно, что различие в структуре сплавов (аустенитная и перлитная) влияет на сопротивление абразивному изнашиванию. Анализ предложенных критериев оценки абразивной стойкости сплавов и их сопоставление с результатами эксперимента позволяют констатировать, что надёжного оценочного комплекса пока не найдено. Итак, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: 1. Для повышения абразивной стойкости стали 110Г13Л необходима дополнительная упрочняющая технология обработки давлением. 2. Целесообразно увеличение твёрдости стали 38ХН3МА за счёт изменения технологии термообработки пальца.
1. Донских Д. Ф. Способы повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов / Д. Ф. Донских, Л. И. Погодаев // Трение, износ, смазка. 2010. Т. 13, № 44. С. 15–27.
2. Крагельский И. В. Основы расчётов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
3. Хрущёв М. М. Абразивное изнашивание / М. М. Хрущёв, М. А. Бабичев. М.: Наука, 1970. 252 с.
4. Козырев С. П. Гидроабразивный износ при кавитации / С. П. Козырев. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
5. Сущенко С. А. Ударно-абразивный износ и механические свойства наплавочных материалов / С. А. Сущенко // Проблемы трения и изнашивания. 1990. Вып. 37. С. 34–38.
6. Сорокин Г. М. Аспекты металловедения в природе механического изнашивания / Г. М. Сорокин, В. Н. Малышев // Трение и износ. 2005. Т. 26, № 6. С. 598–607.
7. Сорокин Г. М. Трибология сталей и сплавов / Г. М. Сорокин. М.: Недра, 2000. 317 с.
8. Цветков Ю. Н. Напряжённое состояние металлов при изнашивающем воздействии абразива / Ю. Н. Цветков, Л. И. Погодаев. СПб.: ИИЦ ФГОУ ВПО СПГУВК, 2004. 94 с.
9. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
